5G承载网面临的挑战以及关键技术研究

刘 宇

（吉林吉大通信设计院股份有限公司，吉林 长春 130012）

0 引 言

5G承载网的出现与发展加快了信息传播的速度，也实现了人与物、物与物之间的相互联系，为社会经济数字化的发展奠定了坚实的基础。5G承载网不仅需要抓住市场机遇，还要克服巨大的困难才能实现真正的万物互联。相对于以往的4G网络而言，5G承载网的灵活性更高、能耗更低、时延更短。

1 5G承载网的应用场景

在竞争激烈的市场环境中，大部分通信企业为了在市场上获得独特的竞争优势，开始引入5G承载网。5G承载网的应用加快了产业的发展速度，提高了企业在市场中的竞争力。对特殊的产业而言，4G网络传播信息速度比较慢，已经无法满足产业发展需求。5G承载网的出现，为网络技术的发展注入了新活力[1]。目前，国际电信联盟通过对5G网的调查研究总结了5G网络的3大应用场景，如图1所示。其中，增强型移动宽带（enhanced Mobile Broadband，eMBB）可以满足用户对网络流量的使用需求。随着通信技术水平的提高，人们普遍拥有了智能手机，智能手机的出现使人们的交流不受时间、地点、距离的限制，网络流量已经成为了互联网行业的重要部分，各个互联网企业开始走上了网络流量的探索之路。网络运营商的5G互联网首要目标是提高用户的体验感以及网络传输速率，据相关调查发现，普通场景下的用户体验速率已经达到了1 Gb/s，而峰值速率达到了10 Gb/s。增强型移动宽带在连续广域覆盖和热点高容量的场景中都得到了广泛的应用[2]。超高可靠超低时延通信（ultra-Reliable Low-Latency Communication，uRLLC）的主要特征就是能耗低、可靠性强，适用于车联网、工业控制等垂直领域。大规模机器类通信（massive Machine Type of Communication，mMTC）的主要特征在于能耗比较低、数据包小但是连接数量大，应用于智慧城市、智能农业以及环境监测等方面，需要具有连接大量数据的能力，对终端产品也提出了相应的需求。5G承载网为了应对时代的挑战，必须具备低能耗、短时延、高可靠性等技术优势。

图1 5G承载网的应用场景

2 5G承载网的特点

2.1 灵活性

各项业务的发展速度和发展要求都存在差异，5G网络为了适应不同业务的发展需求需要具备灵活性。5G网络的具体内容比较复杂，只有网络具备灵活性才可以针对具体业务的不同需求进行调整，从而可以满足各项产业的发展需求。

2.2 低时延

在5G网络的应用场景中，低时延可以为5G网络吸引大量用户[3]。通信技术水平的提高导致人们对网络流量的使用标准上升。用户往往更倾向于低时延的网络，可以迅速收集到自己需要的信息。在自动化行业的发展中，5G网络在应用过程中需要考虑端到端的传输时延。为了更好地满足自动化行业的发展需求，网络运营商需要对现有的5G网络进行结构上的优化，尽最大努力减少节点的数量，优化传输设备的性能，提高网络的传输速度[4]。

2.3 高可靠性

用户在享受5G网络带来便利的同时也面临着隐私信息泄露的威胁，只有提高5G网络的可靠性才能保证用户隐私的安全，而且5G网络的承载力直接影响用户的使用体验，只有用户使用体验好才能建立用户基础。对此，为了提高5G网络的可靠性，网络运营商可以采用与4G网络相似的组网方式。

2.4 速度快

相对于4G网络而言，5G网络的速度更快。高速度可以提高用户的使用体验，例如用户在过去的4G网络中下载超清电影需要一定的时间，而使用5G网络只需要几秒钟就可以将超清电影下载完毕。5G承载网的速度加快可以满足其他产业的发展需求，如远程教育与远程医疗等，有利于提高产业发展水平，促进产业进步。

2.5 泛在网

随着科学技术水平的提高，网络业务的发展速度更快。面对网络业务的发展需求，5G网络通过小型基站扩大网络信号覆盖面的方式获得更为稳定的网络运营效果。同时，只有扩大网络信号的覆盖面才能使5G网络在更复杂的场景中得到高效运行。泛在网主要包括广泛覆盖与纵深覆盖两种，广泛覆盖是指人们生活的地方都需要5G网络的覆盖，在5G网络的覆盖过程中，可以通过部署大量的传感器实现对地形地貌、环境变化以及空气质量的检测[5]。而纵深覆盖主要是指人们生活的地方虽然已经被5G网络覆盖，但是这种覆盖需要更深层次的全面覆盖。

3 5G承载网面临的挑战

5G承载网由于出现的时间比较短，而且网络的安全性与稳定性暂时还无法得到充分保障，同时网络的影响力比较大，故一旦网络出现问题，社会的秩序就可能因此出现混乱，如信息泄漏等，大量的信息数据泄露不利于维护社会和谐、促进社会主义事业的进步[6]。只有充分保障5G承载网的安全性与稳定性，才能在复杂的市场中吸引大量的用户群体，扩大市场需求。图2为5G承载网面临的挑战。

图2 5G承载网面临的挑战

3.1 5G承载网的安全性

随着通信技术水平的提高，许多行业的发展对互联网技术的依赖程度逐渐上升。目前，网络的安全性可以促进行业的安全发展，如许多行业的重要数据资料需要进行加密，以避免外泄。商业机密的泄露会使企业损失大量的利益，因此企业在使用互联网技术时更加关注互联网技术的安全性。人们在日常生活中也更依赖互联网技术，可以通过网络进行沟通与交流、开展娱乐活动，可见网络给人们的生活带来了极大的便利[7]。目前，世界信息化技术正处于不断发展的过程中，一方面为各行业的发展带来了机遇，另一方面不法分子利用信息技术会对网络安全产生威胁[8]。因此，互联网企业需要吸引大量的计算机专业人才，加大对计算机网络信息保护技术的研发力度，为网络提供安全保障。

3.2 5G承载网的稳定性

在各行业的发展过程中，网络的稳定性可以提高行业的发展速度。随着科学技术水平以及通信技术水平的提高，5G承载网的应用范围逐渐扩大。但是就目前而言，大多数行业还在坚持使用4G网络，这是因为网络运营商并不能确保5G承载网的稳定性。在众多行业的发展中，数据资料是最机密的文件。企业倾向于选择使用发展时间较长的4G网络，不愿意冒险使用5G承载网。目前使用的无线基本设备具体包括基带数字处理单元、变频以及射频前端的模拟部件等，且5G承载网对网络时延、速度的要求更加严格，现阶段的承载网各类部件的质量暂时还无法满足5G承载网发展的需求。虽然网络运营商加大了对各类模拟部件的投资力度与研发力度，但是模拟部件的性能有待提升，各类模拟部件在速度、稳定性以及性价比方面还存在问题，只有全面提升模拟部件的性能，才能提高5G承载网的稳定性。

4 5G承载网的关键技术分析

5G承载网可以为物联网、互联网的发展提供网络服务支持，它的出现提升了网络运行速度，也让“网网互联”成为可能。现如今，5G承载网已经渗透到社会的方方面面，包括行业发展、人们的日常生产生活等。但由于其内容多且复杂，网络运营商只有引进先进的计算机技术人才，才能加大对该技术的研发力度，并让5G互联网惠及人们的生活。此外，5G承载网出现的时间比较短，无法在短时间内吸引大量的用户，所以在发展过程中引入关键技术有利于满足行业发展需求，主要包括承载大带宽、低时延、高可靠性能、灵活性以及智能化。只有充分了解并掌握5G承载网的关键技术，才能从根本上解决稳定性与安全性等问题。

4.1 承载大带宽

5G承载网与以往的4G网络相比，网络的峰值在原来的基础上提升了几十倍，对接入层设备来说是一项巨大的挑战。而且5G承载网的设备数量多，需要根据不同的业务场景使用不同的设备，接口消耗量比较大。5G承载网基站密度与传统的4G基站存在较大的差异，在应用过程中链接设备需要具备较强的适用性与灵活性，网络必须具有大带宽、大容量的能力，才能满足业务变化的需求。

4.2 低时延需求

低时延不仅可以提高5G承载网在其他产业的覆盖范围，还可以提高用户的使用体验。相对于传统的4G网络，5G承载网必须具备低时延需求，但在现有的网络架构下，5G承载网还无法满足低时延需求。由于主要应用于工业生产、车联网等行业，而这些行业的发展对时间的敏感性比较强，因此为了适应行业的发展，5G承载网需要让时延得到更大尺度的降低[9]。

4.3 高精度时间同步需求

5G承载网的同步需求主要包括3大方面，分别是基本业务时间同步需求、协同业务时间同步需求以及新业务同步需求。据相关调查发现，5G网络的同步需求与以往的4G网络时间同步需求相同。

4.4 网络灵活性需求

5G承载网被应用于各种业务场景中。业务发展速度以及发展规模存在明显的差异，因此网络运营商需要提高5G承载网的灵活性，同时满足不同业务的发展需求。

4.5 智能化

当今社会的未来发展趋向于智能化。智能电器、智能家居的出现给人们的生活带来了极大的便利，网络也朝着智能化的方向发展。相对于4G网络而言，5G承载网更加灵活、时延较短、效率高，可以在未来的网络市场中占据优势。

5 5G承载网的发展规划分析

5.1 结合多种网络技术

网络运营商在5G承载网的研发过程中可以总结4G网络的发展经验，4G网络出现的时间比较长，网络的安全性与稳定性在长期社会运用中得到了确定。在以往的网络发展历程中，4G网络的出现推动了各行业的进步，提高了网络发展水平，而4G网络面对的是移动互联网。现如今，5G承载网不仅需要面对移动互联网，还需要面对物联网。不同的网络技术具有不同的特征，5G承载网的网络覆盖范围比较广，网络信号可以传达到人们生活的各个地方。

以往的4G网络在网络技术发展历程中占据了重要地位。虽然网络技术的发展存在差异，但是近些年来5G承载网出现之后，4G网络正在逐渐与5G承载网相互融合，甚至逐渐成为了5G承载网的一部分。但是在实际的应用过程中，5G承载网的使用要求更加严格，因为5G承载网的涵盖内容多、范围广，需要进行大量的数据处理工作。网络运营商想要节约研发成本，提高经济效益，就必须加大力度升级基站建设相关的设备与硬件设施，缩减成本[10]。为此，网络运营商以4G网络为基础开始5G承载网的探索之路，同时4G网络也为5G承载网的发展奠定了大量的用户群体使用基础。

5.2 网络拓扑结构扁平化

放眼未来，为了满足5G承载网的发展需求，网络运营商可以将现有的网络结构扁平化，从而提高5G承载网的运行效率。业务层沿着下沉方向发展可以降低网络时延，提高用户以及企业的体验感。众多企业对网络的速度以及时延有着严格的要求。网络拓扑结构扁平化有利于未来的5G承载网充分满足现代企业的需求，提高企业对5G网络的信任度。当前社会已经进入了5G时代，和以往的4G时代不同，网络技术对5G承载网的标准更高，要求更加严格，因此网络运营商需要在未来的发展中实现网络拓扑结构扁平化目标。只有不断进行技术层面的升级与优化，才能保证5G网络既可以拥有4G网络一样的稳定性，同时又具备较有优势的带宽和数据传输效率，促使在可连接网络范围内，人们的网络使用更为安全有保障。同时，扁平化的网络拓扑结构没有中心交换机和分交换机，后期的技术维护工作也可节省大量的人力物力。

5.3 网络承载前移

在5G承载网的发展过程中可以发现单扇区接口带宽具有明显的提升。相对于以往的4G网络，接口带宽至少在原来的基础上提升了100倍，但是5G承载网的时延并没有提升，反而出现了下降，并且在具体实践过程中发现通用公共无线电接口（Common Public Radio Interface，CPRI）的工作能力无法满足5G承载网的发展需求，已经无法使用传统的CPRI构建前传网，如若该问题没有得到妥善解决，那么在未来的网络技术发展中，5G承载网的广泛使用可能会面临较大的障碍。网络运营商需要及时处理网络承载迁移问题，找到更为适宜的解决方法或是技术升级方式，保证使用最少的资金获得最好的处理效果，避免对后续技术的进一步发展产生不利影响。

6 结 论

网络环境的科学构建受多种外界因素的干扰，如市场需求、网络安全等，但是网络技术的发展对社会经济发展水平具有不可替代的作用。当前社会朝着智能化、数字化的方向发展，只有不断提升网络发展技术才能够与时俱进，推动社会事业的发展。